Roel Baets教授解析硅基光電子4.0

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
硅基光電子技術(shù)已經(jīng)改變了光通信領(lǐng)域，特別是在需要高速光收發(fā)器的數(shù)據(jù)中心。Roel Baets教授在ECOC 2024提出硅基光電子4.0（SiPh4.0）的洞見(jiàn)，指出硅基光電子技術(shù)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及SiPh4.0提供的潛在解決方案[1]，本文根據(jù)原稿梳理與大家分享。

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硅基光電子技術(shù)的現(xiàn)狀
硅基光電子技術(shù)已成為數(shù)據(jù)通信和電信高速光收發(fā)器的關(guān)鍵技術(shù)。這些收發(fā)器能夠達(dá)到接近1 Tb/s的總數(shù)據(jù)速率，每年由主要晶圓廠和集成器件制造商（IDM）大量生產(chǎn)。主流技術(shù)使用硅絕緣體（SOI）晶圓，在45、65或90納米節(jié)點(diǎn)的CMOS晶圓廠中加工。
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這項(xiàng)技術(shù)在通信應(yīng)用中取得了巨大成功，人們對(duì)擴(kuò)展其用途到其他領(lǐng)域的興趣日益增長(zhǎng)。研究人員正在探索通信以外的新功能和應(yīng)用，包括：

高性能計(jì)算系統(tǒng)和人工智能

工業(yè)和醫(yī)療傳感器

診斷

激光雷達(dá)和3D傳感

量子應(yīng)用
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* u: T; k6 w9 c* N) S擴(kuò)展硅基光電子技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
! C9 h$ q7 r7 L5 X$ Q) U: }這些新應(yīng)用潛力巨大，但仍有幾個(gè)挑戰(zhàn)阻礙了廣泛采用：

材料限制：許多新應(yīng)用需要傳統(tǒng)電信O波段和C波段以外的光譜帶。這需要引入超出標(biāo)準(zhǔn)SOI技術(shù)的新材料。

多樣化材料需求：所需的新材料列表很長(zhǎng)，包括氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、鈮酸鋰、鉭酸鋇、石墨烯、二維材料、聚合物、液晶和膠體量子點(diǎn)等。

制造復(fù)雜性：將這些新材料整合到現(xiàn)有的CMOS制造工藝中具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛行┎牧吓c標(biāo)準(zhǔn)CMOS環(huán)境不兼容。

供應(yīng)鏈障礙：為這種多樣化的材料和工藝開(kāi)發(fā)工業(yè)供應(yīng)和價(jià)值鏈?zhǔn)且粋�(gè)重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)業(yè)公司面臨的挑戰(zhàn)：無(wú)晶圓廠的創(chuàng)業(yè)公司在基于尚不成熟的工業(yè)供應(yīng)鏈開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)面臨重大障礙。通常，他們必須與技術(shù)提供商共同投資新的工藝流程，這可能成本過(guò)高。
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這些挑戰(zhàn)在研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與實(shí)際產(chǎn)品銷售和工業(yè)工藝流程之間造成了巨大差距。雖然在收發(fā)器領(lǐng)域之外有數(shù)百種新產(chǎn)品類型正在研究和開(kāi)發(fā)，但目前市場(chǎng)上銷售的可能不到十種。
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( Y# {9 _! W; V0 k$ q$ d& b介紹硅基光電子4.0（SiPh4.0）
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提出了硅基光電子4.0的概念。SiPh4.0包括任何打破供應(yīng)鏈障礙的措施，特別是為創(chuàng)新型創(chuàng)業(yè)公司和擴(kuò)張型公司服務(wù)，盡管技術(shù)、應(yīng)用和市場(chǎng)正在多樣化。

9 p" I0 U9 v3 U2 k( p' ?4 @受工業(yè)4.0原則的啟發(fā)，SiPh4.0旨在為多樣化的硅基光電子生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的供應(yīng)和價(jià)值鏈。
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0 l  q4 f" o0 E+ y4 NSiPh4.0的關(guān)鍵方法包括：

分散式開(kāi)放訪問(wèn)晶圓廠模式：這種模式旨在為創(chuàng)業(yè)公司和小型公司提供更靈活、更易獲得的制造選擇。

基于Chiplet的后端加工制造：這種方法允許更模塊化和可定制的芯片設(shè)計(jì)，可能降低成本并提高靈活性。

穩(wěn)健的技術(shù)模塊：這些標(biāo)準(zhǔn)化模塊可以在多個(gè)應(yīng)用中重復(fù)使用，并配有全面的、開(kāi)放訪問(wèn)的模塊工藝設(shè)計(jì)工具包（PDK）。

多利益相關(guān)者PDK：為完整工藝流程開(kāi)發(fā)全面的PDK，涉及多個(gè)利益相關(guān)者以確保廣泛適用性。

可編程光電子集成芯片（PIC）：這些允許快速原型設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期并降低創(chuàng)業(yè)公司的成本。

勞動(dòng)力發(fā)展：對(duì)人員進(jìn)行技能提升和再培訓(xùn)，以滿足行業(yè)不斷變化的需求。
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實(shí)施SiPh4.0
雖然這些想法中有許多并不完全新穎，但在SiPh4.0框架下集體實(shí)施可能會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響。實(shí)施的關(guān)鍵考慮因素包括：

標(biāo)準(zhǔn)化：開(kāi)發(fā)不同技術(shù)模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，以確保無(wú)縫集成。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法：利用廣泛的數(shù)據(jù)和參數(shù)化模型創(chuàng)建更準(zhǔn)確和有用的PDK。

跨學(xué)科集成：確保光電子模塊可以與非光電子元素（電子、機(jī)械、化學(xué)、流體）無(wú)縫對(duì)接。

質(zhì)量控制：實(shí)施工藝控制監(jiān)測(cè)線路（PCM），以評(píng)估單個(gè)模塊是否符合規(guī)格。

整體方法：將SiPh4.0原則擴(kuò)展到芯片制造之外，包括封裝、Assembly和測(cè)試。
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/ ^) W% f  E" N, c3 ~9 E; T" k結(jié)論
. Y8 m6 _/ i( N硅基光電子4.0代表了光電子集成領(lǐng)域的重要發(fā)展。通過(guò)解決多樣化和可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)，旨在縮小研究和商業(yè)成功之間的差距。實(shí)施SiPh4.0原則可能會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)大、更靈活、更易獲得的硅基光電子生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)創(chuàng)新并加速新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

+ h2 y. X9 I0 h' L* U隨著行業(yè)的發(fā)展，合作和開(kāi)放對(duì)話將不可或缺。整個(gè)供應(yīng)鏈的利益相關(guān)者（提供者和用戶）必須做出有助于加強(qiáng)該領(lǐng)域顯著增長(zhǎng)的選擇。在這些決策中，平衡短期和長(zhǎng)期收入優(yōu)化將是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

硅基光電子的未來(lái)充滿希望，通過(guò)采用SiPh4.0原則，我們可能會(huì)看到這一令人興奮的領(lǐng)域出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。正如業(yè)內(nèi)常說(shuō)的那樣，" Let's PIC it！"


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# ?( R5 a3 u5 h8 M4 N% I+ y參考來(lái)源
[1] R. Baets, "Towards Silicon Photonics 4.0," Oct. 4, 2024. [Online]. Available: https://www.linkedin.com/pulse/towards-silicon-photonics-40-roel-baets-0yqye/

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